加强层对高层钢框架 -支撑结构的影响

徐瑞御

(西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031)

对于高层建筑设计,水平力成为主要的控制指标,沿高度方向布置水平加强层是减小侧向变形的有效手段,目前在世界各国得到了广泛的重视和应用。水平加强层在国内首先应用于高层钢结构,后在混凝土核心筒 -外框架结构中应用较多。目前,对于加强层的研究主要是针对混凝土结构,而高层钢结构的较少。

本文利用有限元软件SAP 2000进行三维建模,对带水平加强层的钢框架 -支撑结构进行了地震作用下的时程分析,得出了水平加强层在高层钢结构中的作用机理。

1 计算模型

1.1 几何尺寸

选择结构刚度均匀且体型平面规则的框架 -支撑钢结构,总高度 115.2m,32层,层高 3.6 m。结构的主要构件尺寸见表 1,平面布置见图 1、图 2。

图1 标准层平面图

1.2 结构荷载

图2 加强层平面图

结构恒载取 4.5 kN/m2,活载取 2 kN/m2。地震反应计算采用弹性时程分析法,8度抗震,设计地震分组为第一组,Ⅲ类场地。时程计算时选用的地震波有:EMCFAIRVIEW AVE 00波、PEL HOLLYWOOD STORAGE 90波、兰州波 1。

1.3 加强层作用分析

为分析加强层的作用,采取下列加强层设置方案来进行比较,方案见表 2。

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2 地震作用下时程分析计算

2.1 自振周期分析

模态分析得到各方案的计算自振周期如表 3,通过自振周期的计算可以看到增加水平加强层,结构的自振刚度提高,结构的自振周期下降,随着加强层数目的增加,自振周期下降幅度减慢。

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2.2 侧向刚度

地震作用下,结构X向(东西向)的水平位移曲线如图 3所示,层间位移曲线如图 4所示。

图3 结构 X方向的水平位移

图4 结构 X方向层间位移

从图 3和图 4可以得到结论,加强层的设置可以有效地减小结构的侧向位移,在结构加强层的位置,层间位移角减小。比较加强层数量对顶点侧向位移的影响,列表如表 4。可以看到随着加强层增加,顶点位移减小,但趋势逐步变慢,过多的加强层对位移影响小。比较方案 2和方案 6,同样是一道加强层,方案 6对侧向位移贡献小,可见加强层设置在顶层对结构整体位移影响小,但对顶层的层间位移有很好的约束作用,对于鞭梢效应大的结构可以考虑此种方案。

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2.3 加强层对外框架柱剪力和弯矩的影响

对弯矩和剪力的影响集中在加强层的位置,此处内力突变,外框柱的弯矩图见图 5。

图5 各种加强层设置方案下外框架柱弯矩图

设置水平加强层后,位于水平加强层处和与水平加强层相连的上层处外框架柱的弯矩发生突变,其承受的弯矩大大

增加。设置水平加强层数量和刚度的不同,外框架柱弯矩突变的幅度也不相同。加强层的数量越多,外框架柱弯矩突变的幅度越小。内外框架的剪力图和弯矩图基本类似,均为加强层的位置突变。

2.4 加强层对内筒和外框架剪力分配的影响

加强层位置,外框柱剪力增大,使得内框筒的水平剪力减小,见图 6。从图 6可以看到,加强层有效的为内筒和外框架提供了内力重分布,使得内筒承受的剪力部分转移到外柱上,使得外柱不仅仅承受轴力,还要分担一定的剪力,这对外框柱是不利的。

图6 内筒 -外框的剪力分布

3 结 论

(1)设置加强层可以使结构的自振周期减小。增加加强层的数目可以使结构自振周期不断减小,随着加强层数目的增加这种减小的效果逐渐减弱。

(2)加强层能有效控制结构的侧向位移。加强层数目越多结构侧移就越小,每增设一个加强层结构侧移就相应减小,但是随着水平加强层数目的增加,结构侧移减小的效果逐渐减弱。对结构侧移减小量的效果来说,加强层不宜设置太多,以设置 1～2个效果最好,一般不超过 4个。

(3)设置水平加强层后,位于水平加强层处和与水平加强层相连的上层处外框架柱的剪力和弯矩发生突变,其承受的剪力和弯矩大大增加,而与水平加强层相连下层的剪力和弯矩却一定程度的减小。加强层位置结构刚度发生突变,应力集中。加强层的数量越多,外框架柱剪力和弯矩突变的幅度越小,有利于抗震。故从抗震的角度考虑,应适当增加水平加强层的数量以减小结构内力的突变。

[1]陈富生,邱国华,范重.高层建筑钢结构设计(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2004

[2]张耀春,周绪红.钢结构设计[M].北京:高等教育出版社,2007

[3]周霆.带水平加强层的框架 -筒体结构的地震响应分析[D].成都:西南交通大学,2003

[4]易方民,高小旺,王巍,等.水平加强层在超高层钢结构中的应用研究[J].建筑科学,2001,17(1):15-20